JP2009202225A - エレクトロガスアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】開先の開先深さ方向の全幅の範囲でアークを発生させることができるために、開先の開先深さ方向の全幅の範囲にわたって溶接ワイヤの充分な溶け込みを確保することができるエレクトロガスアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】被溶接材である鋼板の突き合わせ継手に開先を形成し、前記開先の一面側に上方に摺動する水冷銅板を当てるとともに他面側に裏当材を当て、前記水冷銅板、裏当材及び被溶接材で囲まれた開先内で溶接トーチから送給された溶接ワイヤをアークによって溶融させながら、前記水冷銅板と溶接トーチを同行して上進させることで、前記溶融した溶融ワイヤが下方から順次凝固して溶接継手を形成していくエレクトロガスアーク溶接方法において、前記溶接トーチを前記開先内で前記鋼板の板厚方向に沿って円弧状の往復運動をさせ、前記開先内手前及び奥の両端部においても、溶接ワイヤのアークによる溶融を行うことができるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、エレクトロガスアーク溶接方法に関するものである。

従来より、例えばＬＮＧ船のアルミ球形タンクを保持するスカート部や、造船工事における船側外板などの厚肉構造材の立ち向き突き合わせ継手を高能率で溶接するために、立向き上進溶接法としてエレクトロガスアーク溶接方法が用いられている。

図４は従来のエレクトロガスアーク溶接方法の動作説明図である。図４を用いて従来のエレクトロガスアーク溶接方法について説明する。図４に示すように、厚肉の被溶接材１の立向き突合わせ開先２の裏面側に裏当材（例えばセラミック製）３を、表面側に後述する溶接トーチ６と同行して上進する摺動式の水冷銅板４をそれぞれ当てがい、先端から溶接ワイヤ５を送り出す溶接トーチ６を前記水冷銅板４の上方から開先２内に挿入して、溶接ワイヤ５に電力を供給してアーク７を発生させるとともに、水冷銅板４の上側に設けたガスノズル８から噴出される炭酸ガスで溶接ワイヤ５が溶融してできる溶金９をシールドし、更には水冷銅板４で溶金９を冷却して溶け落ちを防止して溶接を行う。そして、前記溶接トーチ６及び水冷銅板４を同行して上進させることで、前記溶金９が下方から順次凝固していき溶接継手を形成していく。このとき前記溶接トーチ６を板厚に沿う前後方向４０に往復運動させながら溶接の進行とともに上昇させる。なお、前記溶接トーチ６は開先２の奥側及び手前側の両端で所定時間停止しながら往復運動をするように制御される。
このようなエレクトロガスアーク溶接方法は例えば特許文献１に開示されている。

しかしながら、前記溶接トーチ６が、開先２の上方から溶接ワイヤ５を供給するために図１に６ａで示したように約９０度の中心角を持った円弧状の形状部を有する構造である場合には、前記溶接ワイヤ５も前記溶接トーチ６と同じ円弧状の軌道を描くような形状となり、溶接トーチ６が開先２の奥側端Ａの位置まで移動してもアークの発生位置７Ａは開先２の奥側端よりも手前側の位置となる。従って、開先２の奥側端付近ではアーク７を発生させることが困難であり、開先２の奥側端付近で溶接ワイヤ５の充分な溶け込みを確保することが難しく、溶接が不充分となる恐れがある。

さらに、例えば図４に示したように溶接トーチ６が前記開先２の手前側の位置であるＢの位置まで移動したときに位置Ｃにおいてガスノズル８と干渉する場合もある。このように溶接トーチ６が開先手前側でガスノズル８、水冷銅板４などの他の部材と干渉する場合には、前記開先２の手前側端付近でアーク７を発生させることが困難であり、従って溶接後の表ビードの外観が粗悪なものとなる。

また、例えば４０ｍｍ以上といった厚い板厚を有する被溶接材１を溶接する場合には、板厚中央部付近で溶接トーチ６の停止時間を確保することができず、そのため溶接ワイヤ５の溶け込み不良による欠陥が発生しやすいという不具合がある。

特開平８−１８５７９号公報

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、開先の開先深さ方向の全幅の範囲でアークを発生させることができるために、開先の開先深さ方向の全幅の範囲にわたって溶接ワイヤの充分な溶け込みを確保することができるエレクトロガスアーク溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、
被溶接材である鋼板の突き合わせ継手に開先を形成し、前記開先の一面側に上方に摺動する水冷銅板を当てるとともに他面側に裏当材を当て、前記水冷銅板、裏当材及び被溶接材で囲まれた開先内で溶接トーチから送給された溶接ワイヤをアークによって溶融させながら、前記水冷銅板と溶接トーチを同行して上進させることで、前記溶融した溶融ワイヤが下方から順次凝固して溶接継手を形成していくエレクトロガスアーク溶接方法において、前記溶接トーチを前記開先内で前記鋼板の板厚方向に沿って円弧状の往復運動をさせ、前記溶接ワイヤのアークによる溶融範囲を前記開先の開先深さ方向の全幅の範囲としたことを特徴とする。

このとき、溶接トーチが前記鋼板の板厚に沿って円弧状の往復運動をし、開先の奥側の位置まで移動すると、溶接トーチの先端部は開先の最奥部よりも手前側であるが、アークの発生位置は開先の最奥側端となる位置に到達する。このような位置は溶接トーチを円弧状の運動をさせることで開先の奥側では溶接トーチの先端が開先奥側下方向を向くために存在する。
そして、この位置を溶接トーチの円弧状の往復運動の一端とすると、開先の奥側端付近でもアークを発生させることができ、開先の奥側端付近においても溶接ワイヤの充分な溶け込みを確保することができる。

さらに、溶接トーチが開先の手前側の位置まで移動したときにおいても溶接トーチと水冷銅板は干渉せず、アーク発生位置が開先の最手前側端となる位置に到達する。
そして、この位置を溶接トーチの円弧状の往復運動の他端とすると、開先の手前側端付近でもアークを発生させることができ開先の手前側端付近においても溶接ワイヤの充分な溶け込みを確保することができる。また、粗悪な外観の表ビードも生じない。

以上のように、溶接トーチを前記開先内で前記鋼板の板厚方向に沿って円弧状の往復運動をさせることで、前記溶接ワイヤのアークによる溶融範囲を前記開先の開先深さ方向の全幅の範囲とすることができる。従って開先の開先深さ方向の全幅の範囲にわたって溶接ワイヤの充分な溶け込みを確保することができ、溶接不良や粗悪な表ビードを生じさせずに溶接を行うことができる。

また、前記溶接トーチが往復運動する円弧を形成する円の中心が、前記水冷銅板の上方に位置することを特徴とする。
前記溶接トーチの円弧状の運動の支点となる位置が前記開先から遠くなれば遠くなるほど溶接トーチを円弧状の運動をさせるために大きな駆動力が必要となる。そこで溶接トーチが往復運動する円弧の中心を前記水冷銅板の上方とすると、円弧の中心が開先と近いため溶接トーチを円弧状の運動をさせるために大きな駆動力が必要なく、しかも溶接トーチは水冷銅板と干渉しない。

また、前記溶接トーチは、前記円弧状の往復運動の往復両端及びその中間の少なくとも３箇所で所定時間往復運動を停止しながら、円弧状の往復運動を行うことを特徴とする。
例えば４０ｍｍ以上といった厚い板厚を有する被溶接材を溶接する場合には、溶接トーチの円弧状の往復運動をその往復運動の両端部及びその中間部、好ましくは開先の略中央部で所定時間だけ停止するように制御する。即ち溶接トーチを円弧状の往復運動をさせるうちに、開先の奥側である位置、開先の略中央部である位置、手前側である位置の３箇所で停止時間を設ける。これにより被溶接材の板厚が大きくても、板厚中央付近でも電極停止時間を確保することができるようになり、溶け込み不良による欠陥が発生しにくくなる。
なお、円弧状の往復運動の中間における往復運動の所定時間停止位置は、１箇所だけでなく２箇所以上設けてもよく、被溶接材の板厚などに応じて調整することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、開先の開先深さ方向の全幅の範囲でアークを発生させることができるために、開先の開先深さ方向の全幅の範囲にわたって溶接ワイヤの充分な溶け込みを確保することができるエレクトロガスアーク溶接方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は実施例１におけるエレクトロガスアーク溶接方法を実施する装置の構成図である。図１を用いて実施例１にかかるエレクトロガスアーク溶接方法を実施する装置の構成と動作について説明する。
図１に示すように、厚肉の被溶接材１の立向き突合わせ開先２の裏面側にセラミック製の裏当材３を、表面側には上部にガスノズル８が取り付けられ後述する溶接トーチ６と同行して上進する摺動式の水冷銅板４をそれぞれ当てがい、先端から溶接ワイヤ５を送り出す溶接トーチ６を水冷銅板４の上部に取り付けられたガスノズル８の上方から開先２内に挿入する。そして、溶接ワイヤ５に電力を供給してアーク７を発生させるとともに、水冷銅板４の上側に設けたガスノズル８から噴出される炭酸ガスで溶接ワイヤ５が溶融してできる溶金９をシールドし、更には水冷銅板４で溶金９を冷却して溶け落ちを防止して溶接を行う。そして、前記溶接トーチ６及び水冷銅板４を同行して上進させることで、前記溶金９が下方から順次凝固していき溶接継手を形成していく。

このとき溶接トーチ６を、後述する機構によって、溶接トーチ６の先端が開先２の手前側から奥側に移動するに従って上方に移動するような円弧状の往復運動２３をさせながら、溶接進行とともに上昇させ、溶接継手を形成していく。

前記溶接トーチ６の円弧状の往復運動の機構について説明する。
前記溶接トーチ６の基端部には固定軸１２が固定して取り付けられており、該固定軸１２にはピン１３によってギア１４が固定されている。また、前記ギア１４は中継ギア１５と噛み合い、さらに該中継ギア１５は駆動モーター（不図示）に取り付けられたギア１６と噛み合っている。これにより駆動モーター（不図示）を回転させると、駆動モーターに取り付けられたギア１６が回転し、該ギア１６の回転運動２１は中継ギア１５に伝達され、さらにギア１４に伝達されてギア１４の回転運動２２となる。該ギア１４には固定軸１２を介して溶接トーチ６が固定されているため、前記ギア１４が回転運動２２をすることによって、溶接トーチ６の先端部は開先２内部で回転運動として伝達される。そこで、前記駆動モーター（不図示）を正回転と逆回転を交互に行うように制御すれば、溶接トーチ６の先端部は前述のように円弧状の往復運動２３を行う。往復運動の速度、往復端位置の制御、往復運動途中での一旦停止等の溶接トーチ６の円弧状の往復運動に係る制御は、モーターの回転速度、運転停止状態、回転方向などのモーターの制御によって実行することができる。

また、前記溶接トーチの円弧状の運動２３の支点となるギア１４の設置位置が開先２から遠いほど溶接トーチ６を円弧状の運動をさせるために大きなモーター駆動力が必要となるため、溶接トーチの円弧状の運動２３の支点は開先２に近いほど好適であり、前記水冷銅板４の上方とすることが最適である。

以上のように構成された実施例１におけるエレクトロガスアーク溶接方法を実施させるための装置を稼動させたときの溶接トーチ６の動作について図２を用いて説明する。
図２は実施例１におけるエレクトロガスアーク溶接方法における溶接トーチの動作説明図である。図２においては、溶接トーチ６が、開先２の上方から溶接ワイヤ５を供給するために図２に６ａで示したように約９０度の中心角を有する円弧状の形状部を有する構造である場合について説明する。

前記溶接トーチ６が図２に６ａで示したように約９０度の中心角を有する円弧状の形状部を有する構造である場合には、前記溶接ワイヤ５も前記溶接トーチ６と同じ円弧状の軌道を描くような形状となる。

このとき溶接トーチ６は、その先端が開先２の手前側から奥側に移動するに従って上方に移動するような円弧状の往復運動２３をしながら、溶接進行とともに上昇している。
溶接トーチ６が開先２の奥側Ｄの位置まで移動すると、溶接トーチ６の先端部は開先２の最奥部よりも手前側であるが、アーク７の発生位置は開先２の最奥側端となる。これは溶接トーチ６を円周状の円弧状の運動をさせることで開先２の奥側では溶接トーチ６の先端が開先奥側下方向を向くためである。
従って、本実施例によれば開先２の奥側端付近でもアーク７を発生させることができ、開先２の奥側端付近においても溶接ワイヤ５の充分な溶け込みを確保することができる。

さらに、例えば図２に示したように溶接トーチ６が開先２の手前側であるＥの位置まで移動したときにおいても溶接トーチ６とガスノズル８（冷却銅板４）は干渉せず、つまり開先２の手前側端付近でもアーク７を発生させることができるため、粗悪な外観の表ビードは生じない。

さらにまた、例えば４０ｍｍ以上といった厚い板厚を有する被溶接材１を溶接する場合には、溶接トーチ６の円弧状の往復運動を開先２の略中央部であるＦの位置で一旦停止するように制御する。即ち溶接トーチ６を円弧状の往復運動をさせるうちに、開先２の奥側であるＤ、中央部であるＦ、手前側であるＥの３箇所で停止時間を設ける。これにより被溶接材１の板厚が大きくても、板厚み中央付近でも電極停止時間を確保することができるようになり、溶け込み不良による欠陥が発生しにくくなる。
なお、本実施例においては開先２の奥側であるＤ、中央部であるＦ、手前側であるＥの３箇所で停止時間を設けるようにしたが、３箇所だけでなく４箇所以上で停止時間を設けるようにしてもよく、被溶接材１の板厚などに応じて調整することができる。

以上のようにして溶接トーチ６を開先２内で円弧状の往復運動をさせることにより、開先の手前から奥に至るまでの範囲、即ち開先の開先深さ方向の全幅の範囲でアークを発生させることができるために、開先の開先深さ方向の全幅の範囲で溶接ワイヤの充分な溶け込みを確保することができる。

板厚３０ｍｍと４０ｍｍの被溶接部材に対して、上述のように図１、２を用いて説明した本発明のエレクトロガスアーク溶接方法と、図４を用いて説明した従来のエレクトロガスアーク溶接方法とを用いて溶接継手を形成した結果を図３に示した。
図３（Ａ）は板厚３０ｍｍの被溶接部材を本発明と従来の方法それぞれで溶接した結果を示す表であり、図３（Ｂ）は板厚４０ｍｍの被溶接部材を本発明と従来の方法それぞれで溶接した結果を示す表である。

図３（Ａ）において、１−１は従来の方法で溶接した結果、１−２は本発明の方法で溶接した結果である。溶接トーチ６の動き以外の条件（電流、電圧、溶接速度、入熱量、溶接ワイヤ供給速度、シールドガス）は何れも同じとした。従来の方法１−１においては図４に示すように溶接トーチ６を板厚に沿う前後方向４０にその幅８ｍｍで往復運動させ、本発明の方法１−２においては図２に示すように溶接トーチを円弧状にその中心角１５°で往復運動をさせた。なお、従来の方法１−１、本発明の方法１−２の何れも開先手前と奥で１秒づつ停止時間を設けながらトーチを往復運動させた。
その結果、従来の方法１−１においては開先手前、奥の何れにも溶け込み不良が発生したが、本発明の方法１−２においては開先手前、奥の何れにも溶け込み不良は発生しなかった。

図３（Ｂ）において、２−１は従来の方法で溶接した結果、２−２及び２−３は本発明の方法で溶接した結果である。溶接トーチ６の動き以外の条件（電流、電圧、溶接速度、入熱量、溶接ワイヤ供給速度、シールドガス）は何れも同じとした。従来の方法２−１においては図４に示すように溶接トーチ６を板厚に沿う前後方向４０にその幅２５ｍｍで往復運動させ、本発明の方法２−２及び２−３においては図２に示すように溶接トーチを円弧状にその中心角２０°で往復運動をさせた。なお、従来の方法２−１、本発明の方法２−２及び２−３の何れも開先手前と奥で１秒づつ停止時間を設けながらトーチを往復運動させた。さらに本発明の条件２−３においては板厚中央付近で０．５秒の停止時間を設けた。
その結果、従来の方法２−１においては開先手前、中央部、奥の何れにも溶け込み不良が発生し、本発明の方法２−２においては開先手前、奥の何れにも溶け込み不良は発生しなかったが開先中央部に溶け込み不良が発生した。また、本発明の方法２−３においては開先手前、中央部、奥の何れにも溶け込み不良は発生しなかった。

開先の開先深さ方向の全幅の範囲でアークを発生させることができるために、開先の開先深さ方向の全幅の範囲にわたって溶接ワイヤの充分な溶け込みを確保することができるエレクトロガスアーク溶接方法として利用することができる。

実施例１におけるエレクトロガスアーク溶接方法を実施する装置の構成図である。 実施例１におけるエレクトロガスアーク溶接方法における溶接トーチの動作説明図である。 図３（Ａ）は板厚３０ｍｍの被溶接部材を本発明と従来の方法それぞれで溶接した結果を示す表であり、図３（Ｂ）は板厚４０ｍｍの被溶接部材を本発明と従来の方法それぞれで溶接した結果を示す表である。 従来のエレクトロガスアーク溶接方法の動作説明図である。

符号の説明

１ 被溶接部材
２ 開先
３ 裏当材
４ 水冷銅板
５ 溶接ワイヤ
６ 溶接トーチ
７ アーク
８ ガスノズル
９ 溶金
２３ 円弧状の往復運動

Claims (3)

1. 被溶接材である鋼板の突き合わせ継手に開先を形成し、前記開先の一面側に上方に摺動する水冷銅板を当てるとともに他面側に裏当材を当て、前記水冷銅板、裏当材及び被溶接材で囲まれた開先内で溶接トーチから送給された溶接ワイヤをアークによって溶融させながら、前記水冷銅板と溶接トーチを同行して上進させることで、前記溶融した溶融ワイヤが下方から順次凝固して溶接継手を形成していくエレクトロガスアーク溶接方法において、
   前記溶接トーチを前記開先内で前記鋼板の板厚方向に沿って円弧状の往復運動をさせ、前記開先内手前及び奥の両端部においても、溶接ワイヤのアークによる溶融を行うことができるようにしたことを特徴とするエレクトロガスアーク溶接方法。
2. 前記溶接トーチが往復運動する円弧を形成する円の中心が、前記水冷銅板の上方に位置することを特徴とする請求項１記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
3. 前記溶接トーチは、前記円弧状の往復運動の往復両端及びその中間の少なくとも３箇所で所定時間往復運動を停止しながら、円弧状の往復運動を行うことを特徴とする請求項１又は２記載のエレクトロガスアーク溶接方法。

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